CN110289746A - 基于折叠悬臂梁的电磁式振动供电方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于振动能量发电领域，提供一种基于折叠悬臂梁的电磁式振动供电方法，由安装在机械设备上的能量收集器，将机械设备特定频率的振动转化为电能，为微小型电子系统供电；能量收集器包括底座、质量块和一对折叠悬臂梁，质量块的两端分别由一个折叠悬臂梁连接在底座上，折叠悬臂梁迂回结构的两端与底座固定连接，中部与质量块的端部固定连接，若干线圈经支撑座固定连接在底座上，在质量块上包围线圈的与固定安装永磁体的镂空部依次间隔排列。该弹簧质量块振荡系统在振动时，由线圈往复切割磁力线产生电流。本发明采用结构紧凑、机电转换效高的能量收集器作为无线传感器节点的电源，具备较低的实施与维护成本。

Description

基于折叠悬臂梁的电磁式振动供电方法

技术领域

本发明属于振动能量发电领域，涉及带有可动磁体和静止线圈系统的发电方法，具体涉及一种基于折叠悬臂梁的电磁式振动供电方法。

背景技术

在集成化技术快速发展的时代背景下，无线传感器技术朝向微小型化、网络化发展，广泛用于设备工作过程、结构健康检测等方面。传统无线传感器节点采用电池驱动，存在工作寿命有限，需要频繁更换电池的问题，对于规模庞大、节点数量众多的无线传感器网络而言，实施这种应用方式需要的维护成本很高。实际上，无线传感器设备的工作环境中往往存在许多形式的能量，如光能、机械能、电磁能等，能够将环境能量转换为电能的能量收集器件，可以实现无线传感器系统的自主化供能，避免了电池供电所带来的大规模应用问题。为汽车、船舶等交通工具提供动力的燃油发动机，工作时其表面会产生一定幅度和频率的机械振动，存在振动机械能，对这种能量加以收集可以驱动应用与发动机结构健康监测等方面的微小型无线传感器系统。

根据能量转换模式区分，振动能量收集器主要包括压电式、电磁式和静电式，其中压电式振动能量收集器输出阻抗高、电压高，需要复杂的阻抗匹配设计；静电式能量收集器通常采用可变电容设计，尺寸较小，能量转换效率很低；电磁式能量收集器具有合适的阻抗和输出电压，缺点是设计结构相对复杂。因此，合理设计能量收集器结构对于电磁式振动能量收集器的大规模应用是十分必要的。

经检索，中国专利文献CN104104205A公开了一种用于汽车胎压监测的悬臂式振动能量采集器，包括依次连接的悬臂梁式能量采集柱形单元、充电控制电路、储能电路和电源输出电路，悬臂梁式能量采集柱形单元包括圆柱形外壳、悬臂梁、永磁体、铁芯和电磁线圈，悬臂梁的固定端和铁芯均固定在圆柱型外壳上，电磁线圈嵌绕在铁芯上，永磁体固定在悬臂梁的自由端，永磁体与铁芯位置相对。用于采集汽车行驶过程中轮胎周期转动时悬臂梁的质量块上作用的交变重力引起的周期性振动的能量，以及由于路面不平使汽车轮胎产生随机振动的能量，采集的能量用于对汽车胎压监测系统发射端进行供电。

对于电磁式能量收集器而言，最为重要的换能组件是弹性结构和内部磁场。传统单直梁式的弹性结构虽然结构设计简单，但是体积较大，空间利用率低，对于尺寸微小的无线传感器节点而言实用性较差，因此在保证弹性系数以及特征频率可控的基础上，减少悬臂梁的尺寸、优化悬臂梁的空间布局对于降低能量收集器体积十分重要，同时也有助于多个能量收集器单元实现阵列化设计。另一方面，内部磁场的磁路设计对于磁电的耦合程度具有很大影响，优化磁路设计，减少磁场的泄露对于提高能量收集器的机电转换效率非常重要。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明缩小了悬臂梁的尺寸、并优化悬臂梁的空间布局，设计出一种全新的振动能量收集器。

技术方案：本发明提供的基于折叠悬臂梁的电磁式振动供电方法，由安装在机械设备上的能量收集器，将机械设备特定频率的振动转化为电能，为微小型电子系统供电；

所述能量收集器包括底座、质量块和一对折叠悬臂梁，质量块的两端分别由一个折叠悬臂梁连接在底座上，所述折叠悬臂梁具有迂回结构，迂回结构的两端与底座固定连接，迂回结构的中部与质量块的端部固定连接，若干线圈经支撑座固定连接在底座上，所述质量块上设有包围线圈的第一镂空部，以及固定安装永磁体的第二镂空部，第一镂空部与第二镂空部依次间隔排列。

具体地，所述线圈呈矩形，每个支撑座固定两个线圈。

具体地，所述支撑座固定于底座或与底座一体成型。

具体地，所述永磁体固定连接在质量块上，并且材质为钕铁硼合金。

具体地，所述折叠悬臂梁由铍青铜板制成，采用双折叠的形状，呈中心对称结构，。

具体地，还包括电源管理电路，电源管理电路包括全波整流滤波电路以及稳压电路，输出接口用于输出3.3V或1.8V稳定电压。

采用多个永磁体，其磁极方向排布一致，水平方向上每个两个永磁体的相对面均为相反磁极，由此形成闭合磁路，减少磁感线泄露，提高磁通量利用率。线圈绕制方向相同，且连接方式为串联，多个线圈中产生的感应电动势相互叠加，有效增强输出电压。

使用时，底座固定安装在待收集能量的振动源表面上，底座的两端与折叠悬臂梁的端部与固定连接，若干线圈经支撑座固定连接在底座上，质量块包围线圈并固定在折叠悬臂梁下，在相邻线圈之间的质量块内嵌入安装永磁体，永磁体、质量块与折叠悬臂梁共同构成弹簧质量块振荡系统。

能量收集器包括底座、质量块和一对折叠悬臂梁，质量块的两端分别由一个折叠悬臂梁连接在底座上，折叠悬臂梁迂回结构的两端与底座固定连接，中部与质量块的端部固定连接，若干线圈经支撑座固定连接在底座上，在质量块上包围线圈的与固定安装永磁体的镂空部依次间隔排列。该弹簧质量块振荡系统在振动时，由线圈往复切割磁力线产生电流有益效果：本发明采用优化悬臂梁的空间布局，结合线圈与永磁体的串联设计压缩了体积，通过优化磁路设提高了机电转换效率。

除以上所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外。为使本发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点做更为清楚、完整的描述。

附图说明

图1是本发明实施例的折叠梁电磁式振动能量收集器的结构示意图；

图2是图1的剖视图；

图中：1-底座；3-支撑座；4-线圈；5-折叠悬臂梁；6-永磁体；7-质量块。

具体实施方式

实施例

针对汽油机、柴油机等机械设备在工作时产生特定频率振动的特性，本实施例的基于折叠悬臂梁的电磁式振动供电方法用于收集表面振动能，并将这些能量转换为电能为微小型电子系统供电，该微小型电子系统是微型无线传感器节点，接入能量收集器的供电可延长电池使用寿命。

如图1和图2所示，能量收集器包括底座1、电源管理电路（图中未示出）、线圈支撑座3、线圈4、折叠悬臂梁5、永磁体6以及质量块7。底座1折叠悬臂梁5提供固定支撑，并且通过线圈支撑座3为线圈4提供固定支撑。支撑座3可以直接集成与底座1，或通过胶连等方法固定于底座1。线圈4通过胶连的方法固定于支撑座3顶部的两侧。所有线圈具有相同的缠绕方向，并且以串联的方式连接在一起。折叠梁5采用铍青铜材料，由于铍青铜具有易加工、弹性高的特点，可通过平面加工工艺实现，并且具有较高的弹性系数和使用寿命。

两个折叠梁5的形状是中心对称的薄片，可以等效为两个具有相同长度的小直梁并行使用，可以在保证悬臂梁弹性系数的同时，有效减小悬臂梁体积，并且这种分布式设计的悬臂梁结构中心部分具有较大空间，将永磁体6与质量块7间隔地集成于悬臂梁包围的内部空间（镂空部），使系统整体布局紧凑，提高了空间利用率。折叠悬臂梁5中部通过螺丝固定或者胶连固定连接质量块7。一对折叠悬臂梁5双弓形的迂回结构可以在狭窄的空间内，赋予薄壁梁中部足够的弹性/扰度，保证弹性系数和特征频率可控。

永磁体6材料为钕铁硼合金，具有剩余磁通密度高的特点，并且磁极方向排布一致，水平方向上每个两个永磁体的相对面均为相反磁极，由此形成闭合磁路，减少磁感线泄露，提高磁通量利用率。

电源管理电路可用胶连的方法固定在底座1上，由PCB板和电子元器件组成，具有整流滤波电路以及稳压电路，保证输出端口能够在一定负载范围内输出稳定电压。

质量块7中间镂空，可以在垂直方向上与线圈4产生相对运动，并且受到折叠悬臂梁5的约束不会产生过大位移，位移幅度控制在线圈高度之内。永磁体6与线圈4之间存在0.5mm以内的空气间隙，以保证垂直方向相对运动时，永磁体6与线圈4不会出现摩擦、碰撞等现象。

永磁体6与质量块7共同构成系统振动质量块，并且与折叠悬臂梁5构成弹簧-质量块振荡系统，具有特定的共振频率。当振动源振动频率逼近或等于共振频率时，悬臂梁5将达到振动的最大幅度。振动能量收集器应水平固定于振动源表面。振动源表面产生振动时会带动能量收集器底座1共同振动，通过折叠悬臂梁5将振动传递至永磁体6以及质量块7。达到共振条件时，质量块7带动永磁体6在垂直方向上与线圈产生相对运动。由于这种运动条件下，线圈4内磁通量发生周期性变化，从而线圈4中产生感应电动势；又由于线圈4绕线方向相同，且连接方式为串联，线圈4中产生的感应电动势相互叠加，有效增强输出电压。线圈处于相同高度，在振荡磁场的驱动下，线圈4中产生的交变电压具有相同相位，不会因为相位不同步而产生电压损失。线圈输出4的交流电压输入电源管理电路中的整流滤波电路，通过全波桥式整流电路整流为半波信号，再通过滤波电容实现初步的直流信号。但是此时的直流信号电压波动率较高，并且不是常见电子器件的标准供电电压，因此需要输入稳压电路进一步降低噪声，并且将电压稳定在负载的标准供电电压水平，保证器件的稳定供电。

本发明为无线传感器节点提供了一种全新的供电方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，对附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于折叠悬臂梁的电磁式振动供电方法，其特征在于：由安装在机械设备上的能量收集器，将机械设备特定频率的振动转化为电能，为微小型电子系统供电；

所述能量收集器包括底座、质量块和一对折叠悬臂梁，质量块的两端分别由一个折叠悬臂梁连接在底座上，所述折叠悬臂梁具有迂回结构，迂回结构的两端与底座固定连接，迂回结构的中部与质量块的端部固定连接，若干线圈经支撑座固定连接在底座上，所述质量块上设有包围线圈的第一镂空部，以及固定安装永磁体的第二镂空部，第一镂空部与第二镂空部依次间隔排列。

2.根据权利要求1所述的基于折叠悬臂梁的电磁式振动供电方法，其特征在于：所述线圈呈矩形，每个支撑座固定两个线圈。

3.根据权利要求1所述的基于折叠悬臂梁的电磁式振动供电方法，其特征在于：所述支撑座固定于底座或与底座一体成型。

4.根据权利要求1所述的基于折叠悬臂梁的电磁式振动供电方法，其特征在于：所述永磁体固定连接在质量块上，永磁体的材质为钕铁硼合金。

5.根据权利要求1所述的基于折叠悬臂梁的电磁式振动供电方法，其特征在于：所述折叠悬臂梁材质为铍青铜，采用双折叠结构，俯视图呈中心对称。

6.根据权利要求1所述的基于折叠悬臂梁的电磁式振动供电方法，其特征在于：还包括电源管理电路，电源管理电路包括全波整流滤波电路以及稳压电路，输出接口用于输出3.3V或1.8V稳定电压。

7.根据权利要求1所述的基于折叠悬臂梁的电磁式振动供电方法，其特征在于：所述永磁体的磁极方向排布一致。

8.根据权利要求1所述的基于折叠悬臂梁的电磁式振动供电方法，其特征在于：所述线圈绕制方向相同，相邻线圈串联连接。

9.根据权利要求1所述的基于折叠悬臂梁的电磁式振动供电方法，其特征在于：所述微小型电子系统是微型无线传感器节点。